本文我们将总结冷却水系统设计的优化要点和实践案例。针对冷凝水管路,论述倒U型封存器的结构设计、管径选择、坡度布置、保温设置等关键因素对系统排水性能的影响规律,并提出了具体的设计准则和计算方法。
1、蒸发式冷却塔系统
蒸发式冷却塔是利用水的蒸发潜热,将循环冷却水冷却至接近湿球温度的换热设备。高温冷却水在塔体内与流动空气直接接触,一部分水蒸发吸热,带走水中的热量,从而使水温降低并在集水池回收利用[1]。其优点是换热效率高、冷却水温度低、设备投资省;缺点是耗水量大、受环境湿球温度影响、水质易变坏、冬季易结冰[2]。因此,蒸发式冷却塔广泛应用于通风良好、湿球温度适宜的场合,如商业建筑、宾馆饭店等。
蒸发式冷却塔按换热方式可分为逆流式、横流式和混合流式三种[3]。逆流式冷却塔的水流与气流逆向流动,塔体狭长,占地小,易形成气流短路;横流式冷却塔的水流与气流正交,进风口设置于侧面,塔体矮胖,占地大,不易形成气流短路;混合流式兼有逆流和横流的特点,水气流部分并流部分逆流,塔型介于两者之间。工程设计时应根据场地条件、进风方向等因素合理选择。
2、闭式冷却塔系统
闭式冷却塔是采用水–水换热的间接蒸发冷却设备。循环冷却水在盘管内流动,而喷淋水在塔体内与空气直接接触,通过铜管壁间接传热将冷却水冷却[4]。其优点是循环水不与空气接触,水质稳定不易污染;水温波动小,接近环境干球温度;无泵空化和结垢等问题。缺点是换热效率相对较低,冷却水温度较高,设备和运行费用高[5]。闭式冷却塔适用于洁净要求高、严寒和风沙地区,如电子厂房、石化装置等。
闭式冷却塔常见的盘管形式有光管型、翅片管型和螺旋管型[6]。光管型传热系数较低,管束直径大,塔体尺寸大;翅片管型传热面积大,传热系数高,但水阻较大,铜管加工困难;螺旋管型换热效率高,布水均匀,但制造工艺复杂,成本较高。工程设计时,应兼顾传热性能和投资成本。
3、干式冷却器系统
干式冷却器是利用空气对流换热原理,将循环冷却水冷却至接近环境干球温度的换热设备。冷却管分为若干排,冷却水在管内流动,空气在管外流动,通过铜管壁传热[7]。其优点是不耗水,运行费用低;设备结构简单,不易结垢;运行可靠,维护方便。缺点是换热效率低,冷却水温度较高;受环境干球温度影响大,夏季制冷效果差;散热风机功耗大,噪声高[8]。干式冷却器多用于资源匮乏、水价昂贵的地区,如偏远工厂、野外工地等。
干式冷却器按管束形式可分为直列式、并列式和兼有直并列三种[9]。直列式冷却器的管束呈矩阵状,换热均匀,布置紧凑,但管程较长,水阻大;并列式冷却器的管束并联,进出水口集中,布置灵活,但换热不均,效率较低;直并列式兼具两者特点,布置相对灵活,换热效果适中。设计时,应根据场地条件、负荷特性等因素权衡。
1、系统水力计算
冷却水系统的水力计算是确定管路布置、水泵选型、运行工况的基础。其核心是根据设计流量和管路阻力,计算系统所需的扬程和功率[10]。计算步骤如下:
(1)根据冷水机组的制冷量和冷凝器进出水温差,确定冷却水设计流量;
(2)根据流量、流速经验值,初选冷却水管道直径;
(3)估算管道长度,查阻力手册,计算管道沿程阻力和局部阻力;
(4)计算塔体进出口阻力、水处理装置阻力、冷凝器水阻等;
(5)计算管道高程差,得出系统总扬程;
(6)根据扬程、流量、效率,计算水泵功率,并选择水泵型号;
(7)校核管道流速,优化管径,必要时返回步骤(2)重新计算。
需要注意的是,管道流速宜控制在1.0~2.5m/s,过低则管径过大,占空间;过高则噪声大,水锤严重[11]。水泵扬程宜留有10%的裕量,效率不宜低于75%。
2、关键设备选型
冷却塔和冷却水泵是冷却水系统的关键设备,其选型应考虑以下因素:
(1)冷却塔:应根据设计冷负荷,结合当地空气参数,优选填料和布水装置,确定塔体尺寸和风机功率,兼顾传热性能和运行费用[12]。对于蒸发式冷却塔,还应核算补水量和排污量,并设置溢流和排污管。
(2)冷却水泵:一般选用单级双吸离心泵,应满足系统流量和扬程要求,并与水泵性能曲线相匹配[13]。泵的材质应根据水质情况选用,如普通水质选铸铁,腐蚀性水质选不锈钢等。泵的备用数量视负荷重要性而定,一般设置一用一备。
对于闭式冷却塔和干式冷却器,还应重点关注铜管材质、壁厚、换热面积等参数对传热效率和水阻的影响。
3、管路系统布置
冷却水管路应力求简洁、紧凑,减少弯头、阀门等附件,降低投资和运行费用。管路布置应遵循以下原则:
(1)冷却塔宜靠近主机房布置,减小管路长度;当回水管较长时,应采取坡度敷设,便于排空和坡度流动[14]。
(2)应合理划分冷却水支管系统,做到各支路用水均衡,局部阻力配置合理[15]。当高差较大时,可设置减压孔板或平衡管。
(3)合理设置截止阀、调节阀、止回阀、排气阀等附件,便于调节水量、倒空管道、防止倒流、排除空气等[16]。
(4)露天管道应做好保温,采取电伴热等防冻措施;地下管道应防潮,内防腐蚀外防水[17]。
(5)噪声较大的设备如水泵,应设减振基础,采取隔音、消声等降噪措施[18]。
4、水质处理措施
冷却水水质的控制与处理,是保证系统高效运行、延长设备寿命的关键。蒸发式冷却塔水质处理应把握以下要点:
(1)补水水质:补水水质应优于循环水质,一般采用市政自来水。当采用地表水、井水等其他水源时,应进行预处理[19]。
(2)水质标准:循环冷却水的水质标准因行业而异,一般硬度应低于450ppm,pH值宜控制在6.5~8.5,电导率应低于1000μs/cm[20]。
(3)水质监测:应定期检测循环水的pH值、硬度、电导率、浊度、菌落总数等指标,发现异常及时调整[21]。
(4)水处理方法:常用的水处理方法有加药、旁滤、排污等。加药是在系统中投加阻垢剂、杀菌灭藻剂等药剂;旁滤是采用机械过滤器去除悬浮物和泥沙;排污是定期排放一部分浓缩水,补充新鲜水[22]。
闭式冷却塔和干式冷却器水侧一般采用软化水,也应定期检测水质,必要时进行药物杀菌和清洗除垢。
5、节能控制策略
冷却水系统的运行费用主要来自冷却塔风机和水泵,因此节能控制的重点是优化塔水温度和流量。主要策略包括:
(1)温度控制:在满足冷水机组运行的前提下,适当提高冷却水供水温度,可减小冷却塔的热负荷,降低风机功耗[23]。可采用变频控制等方式调节风机转速。
(2)流量控制:根据负荷变化,采用变流量控制冷却水流量,减小输配功耗。可采用变频调速、水泵切换等方式实现[24]。
(3)分区控制:对于多台冷水机组或分区供冷的系统,可根据各区域负荷情况,分别控制相应的冷却塔和水泵,实现分区独立运行[25]。
(4)定时控制:对于非24小时运行的系统,可采取定时启停控制,减少非工作时间的能耗浪费[26]。
(5)余热利用:冬季可利用冷却水余热,对其它房间或生活热水进行预热,提高能源综合利用效率[27]。
1、倒U型封存器的设计
倒U型封存器是冷凝水管路的核心部件,其作用是阻止空调机组停机时,冷凝水倒流回风管。设计要点包括:
(1)封存器容积:应根据空调机组的制冷量和风管静压,计算冷凝水最大存水量,并选择容积略大的封存器[28]。一般容积宜大于5L。
(2)高度差:进水管与出水管的高度差,即封存器的封存高度,应大于风管最大正压与最大负压之和[29]。常取200~400mm。
(3)存水弯管径:存水弯管的公称直径应与连接管径相同,一般DN25~DN40,过大会增加阻力,过小易堵塞[30]。
(4)存水弯位置:存水弯应设置在空调机组冷凝水盘以下,最低点高于疏水管200mm以上,以防止虹吸现象[31]。
2、冷凝水管道设计
冷凝水管道的设计应综合考虑排水速度、管阻力、施工难易等因素。一般应遵循以下原则:
(1)管径选择:冷凝水管径应满足排水流量要求,并控制水流速度在0.6~1.2m/s[32]。过大会增加投资,过小易堵塞。
(2)坡度设置:水平敷设的冷凝水管道坡度宜为1%~2%,立管应垂直安装[33]。坡度过小不利排水,过大占空间。
(3)弯头设计:冷凝水管道应少用弯头,必要时宜采用大半径弯头或45°弯头[34]。90°弯头易堵塞。
(4)清扫口:在管道转弯、拐角等处应设置清扫口,并留出足够检修空间[35]。
(5)防堵措施:宜在冷凝水盘排水口设置集水槽,槽内装滤网,以拦截杂物[36]。对于易产生油污的场所,还应考虑设置隔油设施。
3、关键附件选用
为保证冷凝水管路安全可靠运行,还应合理选用以下关键附件:
(1)真空破坏器:在冷凝水盘与封存器之间设置真空破坏器,以防止负压吸空水封[37]。常采用虹吸式或膜片式。
(2)定压膨胀罐:在冷凝立管上设置定压膨胀罐,利用空气弹性调节管内压力,以适应空调系统启停[38]。罐体容积宜为管道容积的30%~50%。
(3)疏水阀:在水平管道低点和立管底部设置疏水阀,及时排除冷凝水[39]。常采用浮球式或热静力式。
(4)止回阀:在泵后设置止回阀,防止泵停时冷凝水倒流[40]。
(5)过滤器:在泵前设置过滤器,防止冷凝水杂质进入泵内[41]。
冷却水系统与冷凝水管路是互为条件、互相影响的,设计时应综合考虑,优化匹配。以某办公楼的空调工程为例:
该工程采用螺杆式冷水机组,制冷量为2台×1200kW。冷却水系统采用蒸发式冷却塔,设计干球温度35℃,湿球温度28℃,冷却塔出水温度32℃,进水温度37℃,冷却水流量190m3/h。空调机组采用卧式暗装型,风管最大正压500Pa,最大负压-300Pa,冷凝水最大流量为2m3/h。
1、针对该工程,在设计冷却水系统时,应重点把握以下环节:
(1)根据冷水机组的冷却水量和温差,计算选择合适的冷却塔型号,宜选用逆流式或横流式;
(2)根据冷却水管道的敷设长度和当地水质情况,选择合适的管材,如普通区域采用镀锌钢管,腐蚀区域采用不锈钢管;
(3)合理设置冷却水支路,并匹配调节阀,以平衡各支路水量;在远离主机房的回水支管,应考虑加大管径或设置平衡管;
(4)根据冷却塔的进风方向,优化塔体布置,避免噪声扰民;考虑利用屋顶空间,减小占地;
(5)在冷却水管道的适当位置设置放空阀、排污阀等,并做好管道保温,以便于系统调试和检修。
2、在设计冷凝水管路时,应把握以下要点:
(1)根据空调机组的制冷量和风管压力,计算冷凝水最大存量,并选择容积合适的倒U型存水弯,高度差应大于800mm;
(2)合理选择冷凝水管径,竖向排水立管宜采用DN40,卧式暗装机组可采用DN25,并控制管内水速不超过1.0m/s;
(3)在最不利点设置真空破坏器,选用DN25虹吸式;在泵后设置DN40浮球式疏水阀和止回阀,以保证排水顺畅;
(4)在冷凝水管道转弯、拐角处设置清扫口,并预留200mm×200mm的检修口,以便清理;
(5)选用容积为100L的定压罐,连接在冷凝立管顶部,缓冲水锤;在水泵入口前设置DN50的Y型过滤器。
3、在系统调试和运行阶段,还应注意以下优化措施:
(1)根据冷水机组的实际运行工况,优化冷却水温度和流量设定值,在满足冷却需求的同时尽量降低冷却塔风机和水泵的能耗;
(2)加强水质监测和处理,控制水质参数在合理范围内,减少水垢和腐蚀对设备的危害;定期清洗冷却塔填料和散热盘管;
(3)利用智能控制系统,根据负荷变化优化冷却水系统的启停和调节;针对不同季节,合理调整运行方式和参数;
(4)做好管路和设备的日常维护,定期巡检,及时排除故障隐患;加强管道保温和防腐,延长使用寿命。
总之,冷却水系统与冷凝水管路的设计应坚持安全、节能、经济、环保的原则,从全局出发,兼顾各方面因素,力求实现最优化。这就要求制冷工程师不仅要掌握专业理论知识,还要积累丰富的实践经验,善于创新,勇于优化,以期达到事半功倍的效果。
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